电铸制造纳米复合沉积层工艺

摘要

一种电铸制造纳米复合沉积层工艺，属于电铸加工领域。该工艺包括以下步骤：(a)配制含有纳米颗粒及直径为100－4000微米的惰性微米颗粒的电铸液，且微米颗粒总量与纳米颗粒的总量其重量比为1∶1—20∶1；且纳米颗粒与微米颗粒总重量占铸液重量的1％—30％；(b)将电铸液搅拌均匀后，接通电铸电源进行纳米复合沉积层的制造；(c)电铸制造过程中，不断搅拌铸液。应用本发明能制备出致密性好、纳米颗粒分散均匀、表面平整、性能优良的电铸复合材料零件/涂层。

说明书

技术领域

本发明中的电铸制造纳米复合沉积层的工艺，属于电铸加工领域。

背景技术

纳米材料是由极细晶粒组成，特征维度尺寸在0.1～100nm的固体材料。纳米材料由于其独特的结构而具有小尺寸效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应、表面和界面效应等与传统材料不同的物理和化学性质。随着纳米材料在其研制、性能及应用等方面研究的不断深入，极大地推动了材料科学研究的向前发展，同时纳米颗粒的出现也为传统的复合电沉积技术带来了新的发展机遇。

纳米复合电沉积是在电沉积过程中，将性能优良的纳米颗粒加入到镀液中，使其与金属或合金实现共沉积，并形成具有某些特殊功能的纳米复合镀层。将纳米颗粒引入金属镀层中而赋予金属镀层以纳米颗粒独特的物理及化学性能的纳米复合电沉积技术，开辟了制备纳米复合材料的新途径，是纳米材料研究领域中极具活力的研究方向之一。它不仅表现在由该技术制备的纳米复合材料由于其中纳米颗粒增强相的存在，在硬度、耐磨减摩、内应力、耐蚀性、热稳定性、电催化性能和光催化性能等方面都显示出其独特的性能，因此在机械、化工、航天航空、汽车、电子以及纺织工业等领域有着极其广阔的应用前景，同时还体现在复合电沉积工艺具操作温度低、投资少、沉积层组成多样化和节省材料等优点。

纳米复合镀层优良的性能是建立在纳米颗粒均匀分布基础之上的。但是，纳米颗粒常常团聚于电铸液中，实践中常采用机械搅拌、超声振动或者两者的复合搅拌方式，或者加分散剂的方法来分散纳米颗粒。机械搅拌很难有效分散纳米颗粒；超声搅拌有一定分散效果，但一旦停止超声振动，纳米颗粒就迅速团聚，而如果在电铸过程中长时间使用超声搅拌，则会使溶液温度过高，影响沉积层的质量；在铸液中加入分散剂可在一定程度抑制纳米颗粒的团聚，但是分散剂在电铸过程不断消耗，其消耗量很难计算，并且分散剂会复合到铸层中影响铸层质量。如何很好的解决复合电沉积过程中纳米颗粒的团聚，已成为该技术进一步发展的瓶颈。

发明内容

本发明的目的是针对现有纳米复合沉积技术中纳米颗粒分散方法的不足，提供一种高效率、分散效果好且操作简便的加工方法。

1、一种电铸制造纳米复合沉积层工艺，其特征在于包括以下步骤：

(a)、配制含有纳米颗粒及直径为100-4000微米的惰性微米颗粒的电铸液，且微米颗粒总量与纳米颗粒的总量其重量比为1∶1---20∶1；且纳米颗粒与微米颗粒总重量占铸液重量的1％～30％；

(b)、将电铸液搅拌均匀后，接通电铸电源进行纳米复合沉积层的制造；

(c)、电铸制造过程中，不断搅拌铸液。

选择的微米颗粒粒径要大于100小于4000微米是因为，一方面大于100微米的粒子不能复合到沉积层中，因而不会形成纳米与微米颗粒并存的复合镀层，降低镀层的性能；另一方面大直径的颗粒具有大的质量，运动过程中拥有更大的动能，更能有效的撞击团聚的纳米颗粒，达到高效分散纳米颗粒的效果。但是微米粒子也不能大于4000微米，否则，由于粒子太重造成搅拌困难。由于微米粒子与纳米粒子相比，重量大很多，为保证溶液中有足够的微米粒子数量，需保证加入铸液中的微米颗粒总量与纳米颗粒的总量其重量比为1∶1---20∶1。

电铸溶液中的微米颗粒需采用SiC、Al₂O₃等惰性粒子；纳米颗粒用于形成纳米复合镀层，微米颗粒用于分散纳米颗粒和去除气泡；在机械搅拌或超声振动或两者结合的复合搅拌搅拌方式下，驱使微米颗粒不停的运动，磨擦、冲击沉积层表面，迅速、彻底地去除吸附气泡以及打散镶嵌在沉积表面的纳米团聚颗粒，同时它们不停的撞击铸液中的纳米团聚颗粒并将其打散，达到有效分散纳米颗粒，提高铸层中纳米颗粒均匀性，从而提高整个铸层质量的目的。在微米颗粒撞击纳米复合沉积层表面时，还起到一种类似喷丸处理的效果，使沉积层表面出现压应力，提高电铸层的力学性能。

应用本发明能以制备出致密性好、纳米颗粒分散均匀、表面平整、性能优良的电铸复合材料。

附图说明

图1为电铸制造纳米复合沉积层过程示意图。

图1中标号名称：1、微粒颗粒，2、纳米颗粒，3、气泡，4、纳米复合沉积层，5、阴极，6、复合沉积层表层的纳米团聚颗粒，7、电源，8、阳极，9、溶液中的纳米团聚颗粒，10、加热器，11、温度控制仪，12、温度传感器，13、沉积槽，14、电铸溶液。

具体实施方式

下面结合图1及具体实例说明实施本发明——“电铸制造纳米复合沉积层工艺”的操作过程。

(1)配制含有纳米颗粒2和微米颗粒1的电铸溶液14，纳米颗粒2用于形成纳米复合镀层4，微米颗粒1用于分散纳米颗粒和去除气泡；微米颗粒1与纳米颗粒2可为同种颗粒也可以是不同种类的粒子，且微米颗粒的粒径较大(直径大于100微米小于4000微米)，微米颗粒总量与纳米颗粒的总量其重量比为1∶1---20∶1；且纳米颗粒与微米颗粒总重量占铸液重量的1％～30％，

(2)选择合适的搅拌方式(如机械搅拌、超声振动或两者结合的复合搅拌)；

(3)由加热器10，温度控制仪11，温度传感器12组成的温度控制系统控制电铸液14的温度；

(4)接通电源进行电沉积，在搅拌力的驱使下微米颗粒1不停的运动，磨擦、冲击沉积层4的表面，迅速、彻底地去除吸附气泡3以及打散镶嵌在沉积电层表层的纳米团聚颗粒6，同时它们不停的撞击铸液中的纳米团聚颗粒9并将其打散，达到有效分散纳米颗粒，提高铸层中纳米颗粒均匀性，从而提高整个铸层质量的目的。

下面以电沉积Ni-ZrO₂纳米复合镀层为例：

电铸液成分如下：氨基磺酸镍：400g/L；氯化镍：15g/L；硼酸：30g/L；纳米ZrO₂：20g/L；微米(粒径为200微米)SiC：40g/L；表面活性剂：适量。选择合适的搅拌方式(如机械搅拌、超声振动或两者结合的复合搅拌)搅拌1小时后，将阴极5、阳极8放入电铸液中，接通电源7开始电沉积。电沉积过程中继续进行搅拌，在搅拌力的驱使下微米SiCl不停的运动，磨擦、冲击Ni-ZrO₂纳米复合镀层4的表面，迅速、彻底地去除吸附气泡3以及打散镶嵌在沉积电层表层的纳米ZrO₂团聚颗粒6，同时它们不停的撞击铸液中的纳米ZrO₂团聚颗粒9并将其打散。由于微米SiC粒子的粒径达200微米，不会复合到沉积层中，且由于其质量大，由搅拌获得的能量足够大，有效的撞击团聚的纳米颗粒和气泡，达到高效分散纳米颗粒和去除气泡的效果。在微米颗粒1撞击纳米复合沉积层表面4时，还起到一种类似喷丸处理的效果，使沉积层表面出现压应力，提高电铸层的力学性能。

整个电铸过程由加热器10，温度控制仪11，温度传感器12组成的温度控制系统控制电铸液14的温度。